攪拌摩擦焊接構件殘余狀態(tài)和疲勞壽命研究.pdf

1、攪拌摩擦焊接過程中，焊縫區(qū)域存在較大的溫度梯度，并且溫度場隨著攪拌頭的運動而發(fā)生變化，這種時間和空間尺度上的不均勻加熱和冷卻過程，必然會引起焊接殘余應力和殘余變形。焊接殘余應力會影響構件的損傷容限和疲勞壽命，而殘余變形會影響焊接構件的裝配。因此，研究攪拌摩擦焊接構件的殘余應力分布、殘余變形和疲勞壽命，對攪拌摩擦焊接技術的工程應用具有重要意義。盡管可以采用試驗的方法來研究焊接結構的殘余狀態(tài)和疲勞壽命，但試驗方法容易受到周圍環(huán)境因素的影響，

2、可重復性差、周期長。因此采用數(shù)值方法對攪拌摩擦焊接過程進行研究是非常有必要的，可以避免費時耗資的重復試驗，降低產品設計的時間成本和資金成本，對攪拌摩擦焊接的應用和發(fā)展具有深遠意義。
　　本文采用數(shù)值方法研究了平板對接焊和復雜結構T型焊的溫度場、殘余應力場分布情況以及焊后殘余變形，分析了構件尺寸對殘余變形的影響，并通過優(yōu)化構件尺寸降低焊接殘余變形;通過中心裂紋拉伸構件和單邊裂紋偏心拉伸構件研究了平板對接焊的殘余應力對焊接構件疲勞壽命

3、的影響，并通過詳細分析裂紋尖端應力場分布，揭示殘余應力對構件疲勞壽命影響的機理。本文各章節(jié)安排如下:
　　第一章綜述了攪拌摩擦焊接技術的研究進展，主要包括攪拌摩擦焊接數(shù)值模型、攪拌摩擦焊接構件溫度場、攪拌摩擦焊接構件殘余狀態(tài)和攪拌摩擦焊接構件疲勞性能，并概述了本文工作的主要內容。
　　第二章詳細介紹了順序熱力耦合模型的基本理論及其有限元格式，介紹了焊接熱源形式及其實施方法。然后介紹了斷裂力學基本理論和疲勞裂紋擴展速率預測方法

4、，其中包括裂紋擴展模式和應力強度因子計算方法，并對幾種裂紋擴展速率預測公式做了簡要介紹。
　　第三章建立了順序熱力耦合有限元模型，并通過ABAQUS子程序接口DFLUX編寫攪拌頭移動熱源程序，對攪拌摩擦焊接過程進行數(shù)值仿真。通過數(shù)值結果與試驗結果的對比，驗證了本文所建立模型的正確性。討論了數(shù)值模型的網(wǎng)格敏感性，分析模型網(wǎng)格尺寸對計算結果的影響，并給出了焊縫區(qū)域的合理網(wǎng)格尺寸，考察了不同熱源形式對計算結果的影響。采用試錯法，研究了焊

5、接熱輸入功率與攪拌頭轉速之間的關系，并將熱輸入功率表示為攪拌頭轉速的函數(shù)。通過分析焊接過程中應力變化過程，揭示焊接構件產生彎曲變形的原因。研究了構件尺寸對焊接殘余變形的影響，并建立構件尺寸和殘余變形之間的關系式。
　　第四章研究了T型焊殘余應力和殘余變形。建立了T型焊接數(shù)值模型，預測焊接溫度場、殘余應力場和殘余變形。理論分析了特殊形狀攪拌頭與構件之間摩擦生熱情況，并采用移動熱源的形式模擬攪拌頭的作用。對比了T型焊接構件和平板對接焊

6、構件殘余應力分布形式，并研究筋板尺寸對殘余應力的影響。通過分析放開夾具約束之前構件的截面彎矩，揭示了T型焊接構件殘余變形機理。考察了筋板尺寸和形狀對焊接殘余變形的影響，并通過優(yōu)化筋板尺寸減小焊接殘余變形。最后，研究了焊后熱處理對焊接殘余應力的影響。
　　第五章研究了平板對接焊的殘余應力對焊接構件疲勞壽命的影響。建立了改進的攪拌摩擦焊接順序熱力耦合模型，通過該模型可以更加準確地預測焊縫區(qū)域的殘余應力。建立了焊接構件的斷裂力學有限元模

7、型計算殘余應力強度因子，通過與已有結果對比驗證了該模型的正確性。采用線彈性斷裂力學疊加方法和裂紋閉合方法預測焊接構件疲勞裂紋擴展速率和疲勞壽命。詳細分析了裂紋尖端應力場分布情況，揭示殘余應力對焊接構件疲勞裂紋擴展速率影響的機理。分析殘余應力對中心裂紋和邊界裂紋疲勞裂紋擴展速率的影響，找出危險裂紋的位置。最后研究了焊接參數(shù)對焊接構件疲勞壽命的影響，并將攪拌摩擦焊接構件的疲勞壽命和TIG焊接構件的疲勞壽命進行了比較。
　　第六章對本文